Курс лекций для студентов специальности I 51. 01. 01 «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых»



жүктеу 1.6 Mb.
бет3/19
Дата14.03.2019
өлшемі1.6 Mb.
түріКурс лекций
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19

Лекция 2

Магма и кристаллизация магматических расплавов. Кристаллизация расплавов с эвтектикой. Кристаллизация расплавов с образованием твердых растворов. Реакционный ряд Н. Л. Боуэна. Последовательность кристаллизации минералов из расплава.


Магма и кристаллизация магматических расплавов


Образование магматических пород происходит в процессе затвердевания магмы. Установлено, что при кристаллизации расплавов наблюдаются два случая взаимоотношения минералов и магмы: 1) выделившийся минерал с самого начала и до конца кристаллизации остается неизменным, идет лишь непрерывный рост кристаллов или увеличение их числа. Кристаллизация таких минералов происходит по принципу эвтектики; 2) выделившийся минерал в дальнейшем становится неустойчивым, реагирует с расплавом и изменяет свой состав. Кристаллизация таких минералов либо сопровождается образованием непрерывной серии твердых растворов – происходит непрерывная реакция между кристаллом и расплавом, либо вследствие реакции выделившегося минерала с расплавом возникает новое соединение (новый минерал). Рассмотрим главные типы кристаллизации на примере двухкомпонентных (бинарных) систем. Для построения таких диаграмм кристаллизации на оси абсцисс откладываются составы, а на оси ординат температура. Кривая на диаграмме, отражающая начало кристаллизации и отвечающая составу расплавов, называется ликвидус (жидкий); кривая, обозначающая конец кристаллизации и определяющая состав минералов, называется солидус (твердый). Линии ликвидуса и солидуса делят плоскость диаграммы на отдельные поля, в пределах которых устойчивы определенные фазы (расплав, кристаллы). Положение любой точки в пределах диаграммы определяется составом и температурой и отражает состояние системы – ее фазы и их относительные количества.

Кристаллизация с эвтектикой


Эвтектикой называется такое соотношение двух или нескольких компонентов, при котором они кристаллизуются одновременно, сохраняя в течение всего процесса затвердевания постоянную и самую низкую (эвтектическую) температуру. Этот тип кристаллизации широко распространен и имеет большое значение в петрогенезисе. Эвтектические соотношения существуют в любых горных породах между фемическими и салическими минералами. При одновременной кристаллизации минералов появляются структуры, при которых степень идиоморфизма минералов определяется их кристаллизационной способностью (силой роста). Если она одинакова, возникают паналлотриоморфнозернистые структуры (в частности, габбровая). Если в расплаве один из компонентов находится в избытке относительно эвтектики, он начинает кристаллизоваться раньше, а в породе образуются вкрапленники на фоне более мелкозернистой основной массы (порфировидная структура). Типичным примером эвтектической кристаллизации являются пегматитовые сростки.

Для кристаллизации с эвтектикой характерны следующие особенности.

1. Первым из расплава кристаллизуется тот компонент, который находится в избытке относительно эвтектики.

2. Состав выделяющихся кристаллов постоянен в течение всего процесса кристаллизации.

3. Температура начала кристаллизации и порядок выделения компонентов определяются составом расплава.

4. Прибавление к легкоплавкому компоненту тугоплавкого понижает температуру начала кристаллизации расплава.

5. Состав эвтектики и температура конца кристаллизации компонентов, находящихся в эвтектическом соотношении, всегда постоянны и не зависят от состава исходного расплава.

Примером бинарных систем могут служить системы диопсид – анортит, диопсид – форстерит, состоящие из смеси различных соотношений этих компонентов. Рассмотрим кристаллизацию расплава, состоящего из анортита и диопсида (рис. 1). Температура плавления чистого анортита 1550 °С, чистого диопсида 1319 °С. Добавление к анортиту (или диопсиду) второго компонента понизит температуру начала кристаллизации. Рассмотрим поведение расплава, отвечающего по составу и температуре точке В диаграммы. Точка Е, в которой пересекаются две ликвидусные кривые и есть эвтектика. По мере понижения температуры вплоть до точки В1 расплав будет только охлаждаться и кристаллизации происходить не будет. В точке В1 из расплава начнет выделяться чистый диопсид, присутствующий в избытке по сравнению с эвтектическими соотношениями.



Рис. 1. Фазовые взаимоотношения в системе

диопсид – анортит (по Г. С. Йодеру, 1962).

Дальнейший ход процесса будет протекать по линии ликвидуса В1Е. При достижении точки Е (диопсида 57,5 %, анортита 42,5 %) анортит и диопсид будут кристаллизоваться совместно в виде самостоятельных фаз до тех пор, пока не израсходуется весь расплав. При охлаждении расплава, состав которого отвечает точке С, будет наблюдаться сходная картина, но с первоначальным выделением чистого анортита. Если бы исходный расплав с самого начала отвечал по составу эвтектическому, весь процесс кристаллизации протекал бы при температуре 1270 °С при одновременном выделении анортита и диопсида до полного затвердения расплава.

При увеличении давления воды происходит понижение температуры кристаллизации каждого компонента и эвтектики, а также изменение эвтектических соотношений этих компонентов. Температура эвтектики при РН2О = 1000 МПа упадет до 1000 °С, и сама эвтектика смещается в сторону анортита, расширяя поле кристаллизации пироксена.


Кристаллизация с образованием твердых растворов


Свойствами твердых растворов обладают все породообразующие минералы, дающие изоморфные ряды (плагиоклазы, пироксены, оливины, амфиболы и т. д.).

Для систем, кристаллизующихся с образованием твердых растворов, характерны следующие признаки.

1. В процессе кристаллизации происходит непрерывная реакция между выделившимися кристаллами и расплавом, вследствие чего изменяются составы расплава и кристаллов в направлении обогащения менее тугоплавким компонентом.

2. Прибавление к легкоплавкому компоненту тугоплавкого вызывает повышение температуры начала кристаллизации расплава.

3. Температура определяет не только количественные соотношения между твердой и жидкой фазами, но и состав их.

4. Состав кристаллов, выделившихся в начальную и конечную стадии кристаллизации, а также температурный интервал процесса кристаллизации зависят только от состава исходного расплава.

5. Первые кристаллы, выделившиеся из расплава, всегда богаче тугоплавкими компонентами, чем исходный расплав; последние кристаллы отвечают по составу исходному расплаву.

Рассмотрим кристаллизацию двух минералов, образующих непрерывную серию твердых растворов на примере плагиоклазов (рис. 2). Кривая солидуса показывает изменение состава твердой фазы по мере падения температуры, а соответствующие изменения состава жидкости фиксируются кривой ликвидуса. Если исходный расплав (точка а) имеет 50 % альбита (Ab) и 50 % анортита (An), кристаллизация его начнется при температуре 1450 °С, то есть при достижении точки а на кривой ликвидуса. При этой температуре из расплава выделится небольшое количество кристаллов состава b (около 90–95 % An). Выделение этих кристаллов приведет к изменению состава расплава, который по сравнению с исходным становится богаче альбитовым компонентом. При понижении температуры этот расплав взаимодействует с выделившейся твердой фазой, постепенно изменяя ее состав по кривой солидуса, в то же время меняя и свой состав по кривой ликвидуса. При температуре 1350 °С в равновесии будут находиться кристаллы плагиоклаза № 70 (точка d) с расплавом, содержащим 30 % анортита (точка с). При дальнейшем понижении температуры состав кристаллов и расплава будет изменяться по отрезкам солидуса df и ликвидуса се, пока весь расплав не затвердеет в точке f. В этой точке кристаллы плагиоклаза приобретут состав, соответствующий исходному (50 % An и 50 % Ab). В этот момент последние капли расплава содержат 12 % анортита (точка е на ликвидусе).



Рис. 2. Диаграмма кристаллизации плагиоклазов

(по Г. С. Йодеру, 1962).


В процессе медленного охлаждения расплава получаются плагиоклазы, в которых не остается следов от реакций, предшествовавших их образованию. Если охлаждение происходит быстро, полное равновесие между твердой фазой и жидкостью не наступает, образуются кристаллы плагиоклаза с зональным строением. У плагиоклазов с общим составом, отвечающим лабрадору, центральные части кристаллов могут быть представлены плагиоклазом с 80 % An, а внешние зоны – с 12 % An. Зональные плагиоклазы характерны для пород, кристаллизовавшихся в гипабиссальных или поверхностных условиях, менее благоприятных, чем глубинные. Присутствие воды в расплаве понижает температуры солидуса и ликвидуса.

Реакционный ряд Н. Л. Боуэна


Существуют соединения, которые при определенных температурах реагируют с расплавом и образуют кристаллы нового состава. Этот вид кристаллизации очень распространен в ряду фемических минералов. Таким способом появляется клиноэнстатит (Mg2Si2O6) в системе форстерит (Mg2SiO4) – кремнезем (SiO2). Кристаллизация расплава начинается с форстерита, который устойчив лишь до определенной температуры, а затем он реагирует с расплавом с образованием кристаллов клиноэнстатита. Кристаллизация природных расплавов происходит в присутствии летучих компонентов при более низких температурах, поэтому вместо клиноэнстатита образуется более низкотемпературный ромбический пироксен.

В магматических породах часто встречаются реакционные каемки ромбического пироксена вокруг зерен оливина. Это свидетельствует о незавершенной реакции преобразования оливина в ромбический пироксен. Иногда наблюдаются каемки моноклинного пироксена вокруг ромбического, каймы амфибола на клинопироксене и биотита на амфиболе, то есть каждый последующий минерал может кристаллизоваться вследствие реакции расплава с ранее выделившимся минералом. Изучение реакционных структур реальных горных пород, а также данные экспериментальных исследований кристаллизации силикатных систем позволили Н. Л. Боуэну (1928) представить последовательность выделения главных породообразующих минералов из магмы в виде двух реакционных рядов: прерывного ряда фемических минералов и непрерывного ряда салических минералов (рис. 3). В каждом из рядов вышестоящий минерал, реагируя с расплавом, дает нижестоящий минерал. Каждому члену первого ряда соответствует определенный член второго ряда.


Оливин ‏

Ортопироксен ↔ ‏ Основной плагиоклаз:



↓ анортит, битовнит

Клинопироксен ↔ лабрадор

↓ ↓

Роговая обманка ↔ Средний плагиоклаз



↓ ↓

Биотит ↔ Кислый плагиоклаз


Рис. 3. Схема реакционного ряда Н. Л. Боуэна.
Совместная кристаллизация минералов из двух реакционных рядов протекает с образованием эвтектики, и в этом случае последовательность выделения зависит от состава расплава. Схема Н. Л. Боуэна показывает наиболее возможные парагенезисы минералов в магматических породах (совместное нахождение оливинов, пироксенов и основных плагиоклазов; амфиболов со средними плагиоклазами; биотита с кислыми плагиоклазами, калиевым полевым шпатом и кварцем). Реакционный принцип Н. Л. Боуэна справедлив лишь для пород известково-щелочной серии с нормальной щелочностью и нормальным отношением магния и железа в фемических минералах. Д. С. Коржинский (1962) и В. С. Соболев (1961) показали, что повышение концентрации натрия в расплаве сопровождается вытеснением кальция из плагиоклазов, что приводит роговую обманку и пироксен в равновесие с кислыми плагиоклазами. Поэтому вместо нормальных биотитовых гранитов появляются роговообманковые и пироксеновые их разновидности. Увеличение содержания железа относительно магния приводит к обратной последовательности выделения ромбических и моноклинных пироксенов, поздней кристаллизации железистых оливинов (так, в трапповых интрузиях габбро-долеритов и долеритов железистые гиперстены образовались позже моноклинных пироксенов).

Последовательность кристаллизации минералов из расплава


Существует ряд признаков, позволяющих выяснить последовательность кристаллизации минералов из расплава. Прежде всего, обращают внимание на форму минералов и степень их идиоморфизма. Ранние минералы могут быть огранены лучше, чем поздние. Степень кристаллической огранки минералов в породах различна (рис. 4). Однако надо учитывать также кристаллизационную силу (силу роста) минерала.

_______________________________



Рис. 4. Различная степень идиоморфизма

минералов: амфибол (Rgb) – идиоморфный,

плагиоклаз (Plg) – гипидиоморфный,

кварц (Q) – ксеноморфный по

П. Ф. Емельяненко и Е. Б. Яковлевой, 1985).
Многие минералы, обладая высокой энергией роста, способны создавать правильные кристаллы в стесненных условиях. Как правило, это минералы, содержащие летучие компоненты, редкие и рассеянные элементы, а это в основном акцессорные минералы (апатит, сфен, циркон, рутил, монацит и др.). Следующий критерий порядка выделения минералов – включения одного минерала в другой. Более ранний минерал бывает включен в более поздний (за исключением акцессорных минералов).

Явления замещения одного минерала другим также служат достоверным признаком для установления последовательности образования минералов. Рассмотренный выше реакционный ряд Н. Л. Боуэна наблюдается в магматических горных породах, если сохраняются ранние кристаллы (например, оливина), обрастающие каймами более поздних пироксенов и амфибола. Время зарождения отдельных включений минералов определяется тем, в какие минералы он включен, а в какие нет.


Контрольные вопросы


1. Что такое кристаллизация с эвтектикой? 2. Что такое кристаллизация с образованием твердых растворов? 3. Одинаковый ли состав имеют первые и более поздние кристаллы: а) при кристаллизации с эвтектикой; б) при кристаллизации по принципу твердых растворов? Почему? 4. Какое практическое значение в петрологии имеет выявленная Н. Л. Боуэном закономерность кристаллизации темноцветных и светлоцветных минералов в расплаве? 5. По каким признакам можно оценить последовательность кристаллизации минералов в магматических горных породах?


Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет